专利名称：一种生物微喷阵列点样装置及其制作方法
技术领域：
本发明涉及一种点样装置及其制作方法，特别是涉及一种能够用来制备易变性的生物样品(寡核苷酸、cDNA、RNA、蛋白质或生物组织等)低通量微喷阵列的点样装置，以及该点样装置的制作方法。
背景技术：
基因表达谱技术的迅猛发展改变了生物学研究的标准，但是这种迅速的改变面临了更大的挑战。生物微阵列芯片检测是基因表达谱技术的重要手段，微阵列芯片的制作方法随着时代的发展正逐步改善。从Affymetrix公司开始用在位合成法制作生物微阵列芯片到现在，许多国际性公司和研究机构发明了多种制备微阵列芯片的方法。制备微阵列芯片的过程也称为点样过程，主要有两大类在位合成法和非在位合成法。在位合成法包括光诱导法、压电印刷法和分子印章法等，这些方法适合于大规模生产，生成的微阵列密度高(密度可达到106dot/cm2)、信息量大，制作的微阵列探针具有同一性；其不足之处是微阵列制作工艺复杂、过程长、所需时间长、成本昂贵，无法在制作过程中进行质控，改变设计困难，要求了解核酸序列信息，在未知序列信息的核酸研究中还有相当困难。非在位合成法包括直接喷点法、微珠阵列法、微电极法、微印章法等，实现单分子排列的纳米印刷术(Dip-PenNanolithogtaphy)可能实现将超高密度的生物微阵列芯片。
直接喷点法在许多研究单位获得应用，所需设备相对在位合成法使用的仪器便宜、方法简单，尤其适合于小批量制备研究型低通量(密度为400-10000dot/cm2)生物芯片，应用于低通量的生物样品微阵列制作。传统的直接喷点法是采用由机械臂控制的针或空气驱动下的微喷嘴通过接触或非接触方式直接将预先合成(或分离、纯化)好的生物分子以一定模式有序分配在经化学处理的固相支持物上，然后通过干燥、紫外交联等操作使生物分子固定在其上。这种方法的最大优势是研究者可以将对已经熟悉的生物分子，以类似的相对简单的方法固定在固相支持物上，根据设计需要制作自己感兴趣的芯片；但是这些点样仪也存在有以下缺点体积庞大、要求工作人员的工作强度高、操作过程繁杂、仪器消耗大、点样针容易交叉污染，样品点不具备同一性，先点的样品由于长时间暴露空气中会出现“过蒸发”或属性改变现象，生物样品斑点的大小有限制，样品量不能精确控制，样品点与样品点之间的距离有限制等问题。
Chris P.Steinert等(An Improved 24 Channel Picoliter DispenserBased On Direct Liquid Di splacement，The 12thInternat ional Conferenceon Solid State Sensors，Actuators and Microsystems，Boston，June 8-12，2003)提出压电晶体在电场下形变挤压弹性体，通过弹性体形变挤压微喷孔中的生物样品，使生物样品与固体表面接触并滞留在固体表面形成样品点。
Tseng Fan-gang等(U.S.P2002159918)发明的微印章法提出了微印章点样法，它是利用MEMS(微机电加工系统)技术制作具有微流体进样池与微贮液池的微结构，然后用类似盖印章的方法挤压微喷孔下方的弹性聚合物，让微贮液池中的液体与固体表面接触，由于表面张力作用液体会在固体表面留下样品点。
说明内容本发明的目的就是克服了传统点样技术的不足，采用MEMS技术制作了一个新型点样装置，并提供了一套制作该点样装置的工艺流程。生物样品在毛细作用下直接从微进样池经过微管道进入微贮液池和微喷嘴，由于表面张力和重力的平衡作用，生物样品会悬挂在微喷嘴口；在微喷嘴背面的微型聚合物驱动器所产生的形变驱动下，生物样品就会被挤压出来；生化反应检测芯片放在微喷嘴底下，被挤压出来的生物样品会接触到芯片从而在芯片表面留下生物样品点。同时，本发明可以根据需要设计不同的微喷嘴图形，快速得到不同生物样品微阵列；控制不同电极之间的电压也可以得到需要的生物样品微阵列。另外，该点样装置的主体部分体积仅为40mm×40mm×1mm，是一个便携式的半自动装置，能节省点样时间，简化点样操作过程，方便仪器制作与维护费用。
本发明所要解决的技术问题是，1、EAP(ElectroActive Polymer电致伸缩聚合物)具有良好的微加工性能、电致伸缩和弹性性能，现有的EAP材料如PDMS(Polydimethylsiloxane聚二甲基硅氧烷)与ERF(electrorheological fluid电流变液体)混合形成的聚合物、硅树脂或聚丙烯类树脂等等；2、金电极的微加工性能和延展性；3、SU-8胶(一种负性光刻胶，美国MicroChem公司提供，可利用其制作高深宽比的器件)微加工性能以及其形成的SU-8聚合物结构表面特性；4、PDMS膜具有良好的封装性能，解决以SU-8聚合物和压电聚合物为主体结构制作整个点样装置的各种工艺技术，提供一种基于微型EAP驱动制备生物样品微喷阵列的点样装置的制作方法。
本发明中点样装置的制作方法就是先利用MEMS(微机电加工系统)技术在负性光刻胶SU-8上制作含有微进样孔、微管道、微贮液池和微喷嘴的微结构；然后按照溅射后再腐蚀和溅射后再剥离等工艺流程在PDMS与ERF混合形成的聚合物(EAP的一种)两侧制作微电极，形成微型EAP驱动器，并在制作驱动器过程中用银浆导电胶引线；接着，再用玻璃制作微型EAP驱动器的支撑部件；制作PDMS膜用于封装；再将以上制作成的各个独立部件封装成一个点样装置的主体结构；最后将主体结构上的电极引线与高压电源相连，就形成了整个点样装置。
具体的说，所述的点样装置的制作方法，其特征在于该方法包括下列步骤1点样装置主体结构的各部件设计及其各部件间的关联该点样装置主体结构包含四层部件构成考虑到PDMS在微流体装置封装领域方面具有很强的优势，最上面一层结构是用于封装的PDMS膜，膜厚大约50-150um，这里主要利用PDMS膜与玻璃的键合强度很大的性能；第二层是用于固定和支撑的硬性物质如玻璃或石英；第三层是用于微型的EAP驱动器，EAP在高电场作用下会发生等体积的形变(电极的平行方向延伸，垂直方向压缩)；第四层是含有微进样池、微管道、微贮液池和微喷嘴阵列的微结构层，主要用于生物样品进样、传输、贮存和分配，这层结构用SU-8胶制成的；另外，主体结构中还利用了封装第三和第四层结构的UV胶(紫外胶，SUMMERS OPTICAL公司提供)和封装第二、第三和第四层结构的AB胶(型号KD-504A，浙江慈溪天东胶粘剂厂提供)。
在EAP层两侧的微电极上加高电压，EAP会缓慢的发生等体积形变，由于第二层和外围已用硬性物质将这层EAP固定，有效形变就只能向SU-8微结构层的微贮液池空间伸展；PDMS膜是用来防止生物样品产生回流，同时提高了EAP层形变挤压生物样品的效率。
设计过程中要考虑以下影响因素1、SU-8胶的微电子加工性能、表面特性以及热学性能；2、点样装置SU-8微结构层中的微进样孔、微管道、微贮液池和微喷嘴的尺寸、大小、三维结构以及整体布局；3、EAP的电致伸缩性能、表面特性及热学性能；4、EAP层两端金电极的延展性，引线与焊接；5、点样装置主体结构的封装和密封性能；6、主体结构与高压电源的连接。根据工艺流程，将设计好的图形制作成多个掩膜版。
2点样装置主体结构的制作根据该点样装置主体结构的设计方法，在制作过程中分四大步骤进行2.1制作该点样装置主体结构的核心——SU-8微结构层首先，用L-Edit版图设计软件(L-Edit Win32 9.00，A Division ofTanner Research，Inc.提供)设计掩膜版，其中涉及到设计这种点样装置的微进样池数目、直径，微管道宽度和长度，微贮液池直径，微喷嘴阵列的数目、形状以及直径，以及这些微结构放置的形状。本发明中涉及到40mm×40mm的基片上制作出了含有10×10微阵列喷嘴(微喷嘴区域10mm×10mm)的点样装置主体结构，该结构能进行样品进样、传输、贮存和分配整个过程；其中微进样孔直径1mm，微管道的线宽为50μm，微贮液池的直径为250μm，微喷嘴直径为50μm；微管道的线宽、微喷嘴直径与微贮液池直径的比例值是该点样装置能否成功喷出生物样品的关键。实验证明液体在50μm的微管道中会由于毛细作用自动从微进样孔流到微贮液池中；微喷嘴直径与微贮液池直径的比例值在5时，从微喷嘴中流出的液体比较均匀和稳定。
接着，要将掩模版上的图形转移到SU-8微结构中。SU-8胶是一种负性光刻胶，根据不同系列的SU-8、不同的甩胶速度和相应的不同曝光强度可以制作出不同厚度的精密微结构，SU-8材料制成的微结构最小深宽比能达到20。结合Fan-Gang Tseng等(Micro Protein Filler Chip for ProteinLibrary Preservation And Array Filling in Batch，7thinternationalConference on Miniaturized Chemical and Biochemical Analysis Systems，October 5-9，2003，Squaw Valley，California USA)提供的多层SU-8结构制作方法和利用我们制作SU-8微结构的经验，选择硅片作为制作多层SU-8结构衬底，用两次光刻一次显影的方法制作出含有微结构的SU-8基片，具体的制作过程包括下列6个步骤(1)基底处理4英寸硅片作为SU-8结构的基片，用一般半导体工艺中清洗工艺清洗后前烘；(2)硅片表面甩涂一层剥离层；(3)第一层SU-8胶甩涂，前烘，固化，在光刻机中将掩膜版与基片对准，紫外线曝光，将掩膜版上的微喷嘴图形转移到SU-8光刻胶上，然后后烘，曝光后的SU-8进一步固化；(4)第二层SU-8胶甩涂，前烘，固化，在光刻机中将掩膜版与基片对准，紫外线曝光，将掩膜版上的微结构图形转移到SU-8光刻胶上，然后后烘，曝光后的SU-8进一步固化，形成待显影层；(5)超声环境中显影，可以得到所需要的双层SU-8结构；(6)多层SU-8结构的表面先用IPA(异丙三醇)清洗，最后用O2等离子体表面处理。
2.2微型EAP驱动器的制作EAP发生等体积形变需要高的电场(Ronald E.Pelrine et.al，Electrostriction of Polymer dielectrics with compliant electrodes asa means of actuation，Sensors and Actuators A，64(1998)77-85)(如图6)，根据方程E＝V/d，式中E为电极间电场，V为加在两电极上的电压差，d为上下电极之间距离，要求上下电极之间的EAP层的厚度较小或提供一个高压电源。如EAP是PDMS与ERF混合形成的聚合物，则在高于15kVcm-1电场下在厚度方向(上下两电极之间)形变量能达到原来厚度的1.3％(Katherine Bohon，Sonja Krause，An Electrorheological Fluid andSiloxane Gel Based Electromechanical ActuatorWorking toward anArtificial Muscle，Journal of Polymer SciencePart BPolymer Physics，Vol.36，1091-1094(1998))。为防止PDMS与ERF混合形成的聚合物被击穿，使用安全电场在150KV/cm以下，电极之间的电致伸缩聚合物厚约60um。为了保证点样装置的安全性，电极、布线及其引线全都用PDMS固化后封装，防止高电压对使用者和装置带来伤害。另外，EAP的上下两电极要跟随着压电聚合物PDMS变形而延伸或收缩，所以要求电极具有良好的延展性和接触性，金和石墨粉是用于EAP形变的良好的电极材料，在制作过程中我们使用的是金电极。设计并制作用于制备电极的掩膜版两张，工艺中在压电聚合物两侧生长电极具体流程如下(1)用一般半导体工艺中清洗工艺清洁硅片；(2)硅片上甩涂一层薄的剥离层；(3)甩涂第一层PDMS薄膜，厚约30um；(4)PDMS膜进行表面处理后，溅射Au(2000)(5)光刻胶保护腐蚀出下电极图形；(6)电镀Au，增加电极厚度至1um，减小电阻并引线；(7)甩涂第二层PDMS与ERF混合形成的聚合物薄膜，厚约60um，这一层将作为EAP层；(8)PDMS与ERF混合形成的聚合物表面处理后，甩涂光刻胶，光刻出电极图形；(9)溅射Au电极，利用剥离工艺制作出上电极；(10)电镀Au，增加电极厚度至1um，减小电阻并引线；(11)甩涂第三层PDMS薄膜，厚约30um；
(12)剥离已制的聚合物挤压器，打孔，孔的位置与掩膜版上的微进样池位置相对应。
2.3PDMS膜的制作通过宏观的模具来制作比较厚的PDMS膜(厚度大于500um)，值得注意的是为了方便PDMS从模具上剥离，模具表面要用OmniCoat涂布；制作比较薄的PDMS膜(厚度小于500um)，可以通过调节甩胶机的转速制成厚度在20um-100um之间的薄膜，100℃下烘60min，用O2等离子体表面处理。如果要在PDMS薄膜上制作微结构，可利用准LIGA技术。
2.4玻璃片作为该装置的支撑结构玻璃上打孔，孔的位置与掩膜版上的微进样池位置相对应，孔直径1mm；打孔过程中要注意防止玻璃片脆裂，孔与孔之间的间距不能过小，所以要求设计的版图时的微进样池之间的间距要比较大。打完孔后，玻璃表面进行化学处理(丙酮和IPA清洗)，以利于玻璃与PDMS膜的键合。
3点样装置主体结构的封装封装以上制作好的四层结构。密封性能是制作该点样装置主体结构的重中之重，一旦这个装置在其中的某一层之间存在泄漏，EAP层的形变就不能完全挤压液体，微喷孔中的液体就不能如我们预料的一样会与生化反应检测芯片接触形成样品点，所以我们在封装选择方面比较谨慎。
最上面一层封装进样孔的PDMS膜经过O2等离子表面处理后，能与第二层玻璃等固体表面接触很好，而且这两层之间不需要克服比较大的力，所以不需要用另外的液体胶封装。
第二层的玻璃与第三层驱动器的封装比较简单，可以在玻璃表面处理后再涂布一层薄的PDMS膜，将第三层的压电聚合物驱动器放置在玻璃片上，100℃下烘60min，这样玻璃与驱动器上PDMS膜层键合非常牢固。
EAP驱动器层和SU-8微结构层之间需要密封性能好。先洗净PDMS和SU-8表面，烘干，用O2等离子体处理两者表面，然后立即把两个表面挤压在一起，在两者的间隙中滴上一小滴甲醇用来对准，然后将粘合好的PDMS和SU-8放置85℃下烘60min，两者表面会键合得很好。如果键合效果不是很好，再用UV胶作为封装介质弥补，因为要防止UV胶流入第四层表面的微管道和微贮液池，所以必须从装置侧面利用间隙的毛细管力在第三层微驱动器与第四层多层SU-8结构之间涂布UV胶，在功率为23.8mWcm-2的紫外光下曝光60min。
在完成装置的第二层与第三层封装以及第三层与第四层封装之后，用能耐2500psi压力的AB胶封装整个装置，将下面三层的边缘全都用AB胶涂布。
4引线与焊接制作微EAP驱动器的过程中要把微电极引出，因为电极溅射在EAP聚合物上，EAP不能耐高温，而且该点样装置要能耐高电压(＜9KV)，要避免用高温焊接引线。用银浆导电胶将导线与压焊点粘住，然后用PDMS保护封装压焊点。
5连线、与高压电源连接点样装置的主体结构引线结束后，要将高压电源与之连接形成整个的点样装置。将微电极的上电极、下电极的引线用与双面覆铜PCB板(印刷电路板)上已腐蚀形成的压焊点焊接好，再把PCB板的上、下两个电极分别与高压电源低压端、高压端焊接相连，每个焊点都要绝缘保护，最后用PDMS整个封装覆盖压焊点，避免对使用者产生高压危险。现在的实验条件下，直接用高压电源仪(30KV/0.2mA高压电源仪，上海原子核研究所提供)产生高压电源；在后期制作中也可以用体积相对较小的高压电源模块代替高压电源仪，真正达到微型化。
综上所述(1)本发明使用的驱动方法是EAP(电致伸缩聚合物)在一定电场下会发生形变慢慢挤压生物样品，被挤压出来的生物样品液滴会接触到生化反应检测芯片，由于表面张力的作用生物样品在芯片表面留下一个生物样品点，完成一次点样过程；整个驱动过程中主要是利用EAP在高电场下会形变的原理，将电能转变为机械能或机械运动，产生的热量少，特别适于易变性生物样品研究。
(2)本发明的技术原理与Chris P.Steinert提出的方法有相似之处，区别在于点样装置衬底材料，本发明用聚合物SU-8代替Chris P.Steinert用的硅，SU-8具有对高电压耐受性强的特点；用EAP材料代替压电晶体，可以克服压电晶体容易老化，强磁滞现象，形变需要很大的能量，发热量大等不利于易变性生物样品点样的问题；另外，压电晶体驱动的频率快，生物样品在压电晶体的快速形变下将以一定的速度喷出，而不是被慢慢挤出，样品点的体积不易控制；微EAP驱动器可以对每个微喷嘴进行微控，且样品点体积均一，而微压电晶体制作工艺复杂，不易进行微控。
(3)本发明装置的制作方法与微印章法有相似之处，但是两个装置的驱动是不同的，微印章法是用机械力挤压微喷嘴下方的聚合物，聚合物只需要具有弹性；本发明的方法是用高电场作用下压电聚合物产生的形变去挤压微贮液池中的生物样品，聚合物需要弹性和电致伸缩的性能，而且聚合物是在微喷嘴的背面。相比而言，我们的方法易于控制，改变挤压量只要改变加在压电聚合物两端的电场，所需压电聚合物的形变很小，使用寿命长。
(4)本发明的点样装置是半自动装置，它能利用微管道的毛细作用让生物样品自动从微进样池进入微贮液池；它能节省点样时间和仪器制作与维护费用，可以克服现有生物样品点样仪体积庞大、要求工作人员的工作强度高、操作过程繁杂、仪器消耗大等问题；(5)本发明的点样装置体积小，是一种便携装置，在40mm×40mm的基片上制作出含有10×10微阵列喷嘴(微喷嘴区域10mm×10mm)的整个点样仪装置，该装置能完成样品进样、贮存、传输和分配整个过程。
(6)本发明的点样装置可以调节电场强度来控制点出的样品量，微喷嘴间距离可以通过改变掩膜版控制，而且点出的样品点具有同一性，克服了传统点样仪中点样针容易交叉污染，先点的样品由于长时间暴露空气中会出现“过蒸发”现象或属性改变，生物样品斑点的大小有限制，样品量不能精确控制，样品点与样品点之间的距离有限制等等问题。
(7)本发明的点样装置制作简单，工艺流程短，而且在装置设计灵活多变，可以根据需要设计不同的微喷嘴图形，快速的得到生物样品不同形状的微阵列，制得的点样装置操作简单，很容易普及；
(8)本发明的封装方法与一般微电子工艺和材料工艺不同电极引线主要用银浆导电胶连接金电极与导线，不会产生“断线”现象，结合性能好；为了防止高压电对使用者产生影响，整个高压模块用PDMS固化后封装；防止液体在驱动后发生倒流——从微贮液池回流到微进样池，用PDMS膜在表面处理后封装微进样池。
图1微喷阵列点样装置及其主体结构的示意图(a)微喷阵列点样装置结构示意图(b)基于电致伸缩聚合物驱动的微喷阵列点样的原理图(c)微喷阵列点样装置主体结构整体示意2微喷阵列点样装置主体结构截面34×4微喷阵列点样装置中制备SU-8微结构的掩膜版示意图(a)微喷嘴图形示意图(b)微进样池、微管道、微贮液池图形示意410×10微喷阵列点样装置中制备SU-8微结构的掩膜版示意图(a)微喷嘴图形示意图(b)微进样池、微管道、微贮液池图形示意图(c)微管道、微贮液池分布示意图(d)微进样池、微管道分布示意5SU-8微结构的制作流程示意中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)为工艺步骤，具体为(a)-清洗衬底 (b)-涂布剥离层(c)-涂布SU-8并光刻微喷嘴图形 (d)-涂布SU-8并光刻微结构图形(e)-超声显影并得到SU-8微结构图6EAP(电致伸缩聚合物)在一定电场下发生等体积形变压缩原理图(a)自由边界条件下，EAP在未加电场时的自由状态(b)自由边界条件下，EAP在加电场下发生等体积形变压缩
(c)受限边界条件下，EAP在未加电场时的自由状态(d)受限边界条件下，EAP在加电场下发生等体积形变压缩图7、上下电极掩膜版示意图(a)EAP层上电极掩膜版图形(b)EAP层下电极掩膜版图形图8微EAP驱动器制作流程示意中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)和(h)为工艺步骤，具体为(a)-清洗衬底 (b)-涂布剥离层(c)-涂布PDMS (d)-溅射并腐蚀出下电极图形，电镀并引线(e)-涂布压电聚合物(f)-溅射并剥离出上电极图形，电镀并引线(g)-涂布PDMS封装 (h)-剥离得到微EAP驱动器1-点样装置主体结构2-生化反应检测芯片3-PDMS膜 4-硬性支撑材料，如玻璃片5-微EAP驱动器 6-主体结构的核心部分，SU-8微结构层7-微喷嘴 8-微贮液池9-微管道 10-微进样池11-UV胶 12-AB胶13-4×4微喷阵列的微喷嘴图形14-4×4微喷阵列的微进样池、微管道、微贮液池图形15-10×10微喷阵列的微喷嘴图形16-10×10微喷阵列微进样池、微管道、微贮液池图形17-衬底材料，如硅片 18-剥离层，如OmniCoat19-未曝光SU-8材料 20-已曝光SU-8材料21-微电极 22-EAP材料，如PDMS与ERF混合物23-上电极图形 24-下电极图形25-压焊点具体实施方法通过下面的具体实施方式
以进一步阐明本发明所提供的点样装置及制作方法包括两部分1、点样装置主体结构的整体设计；2、点样装置主体结构的制作工艺；3、点样装置主体结构的封装及其与高压电源的连接。
实施例一4×4微喷阵列点样装置的制作设计该点样装置时考虑以下多个参数主体结构的尺寸，微结构(包括未进样池、微管道、微贮液池及其微喷孔)的图形、深度与宽度，微驱动器电极材料选择、图形、厚度及其引线的布线，微驱动器中EAP的材料选择、尺寸，等等。将设计好的图形分别制成SU-8微结构中的掩膜版(图3中的13、14)和上、下电极掩膜版(图7中的23、24)，以进一步光刻转移到SU-8基片上。
4×4微喷阵列点样装置(19.6mm×19.6mm×1mm)的制作工艺，包括下列步骤首先，制作该点样装置主体结构的核心部分——SU-8微结构，如图5(1)基底处理4英寸硅片作为SU-8结构的衬底，清洗后前烘，图5(a)；(2)在硅片正面涂上一层很薄的剥离层(OmniCoat，MichChem公司提供)，烘干，图5(b)；(3)在硅片正面涂上第一层SU-8胶(SU8 2025，MichChem公司提供)，前烘，固化，在光刻机中将掩膜版与基片对准，紫外线曝光，将掩膜版上微喷嘴图形(图3中的13)转移到SU-8光刻胶上，后烘，曝光后的SU-8进一步固化，图5(c)；(4)在硅片正面涂上第二层SU-8胶，前烘，固化，在光刻机中将掩膜版与基片对准，紫外线曝光，将掩膜版上微进样池、微管道、微贮液池等图形(图3中的14)转移到SU-8光刻胶上，后烘，曝光后的SU-8进一步固化，变成待显影层，图5(d)；(5)超声环境中将显影，可以得到所需要的多层SU-8结构，图5(e)；
(6)多层SU-8结构的表面先用IPA冲洗，然后用水清洗，最后用O2等离子体表面处理。
第二步，制作PDMS薄膜(7)制作比较薄的PDMS膜(Sygard 184，由南科电子有限公司提供)，按质量比10∶1混合碱液和固化液，静置30min后，通过调节甩胶机的转速制成厚度约80um的薄膜，在100℃下烘60min；(8)用O2等离子体表面处理后，PDMS薄膜待封装用。
第三步，进行微EAP驱动器的制作，如图8(9)清洗另一片硅片，如图8(a)；(10)在硅片正面涂上一层很薄的剥离层(OmniCoat，MichChem公司提供)，烘干，如图8(b)；(11)在硅片正面涂上一层PDMS薄膜，控制甩胶机的转速使PDMS膜厚约30um，PDMS固化，如图8(c)；(12)PDMS表面处理后，溅射Ti/Au，Au层厚度约2000；(13)甩涂光刻胶1813，曝光显影，将掩膜版24(如图7(b))上的图形转移到光刻胶上，用碘化钾溶液腐蚀制作金属Au电极，电镀Au增加电极厚度，然后用银浆导电胶将压焊点与细导线粘住，引线，如图8(d)；(14)混匀PDMS与BTR-u1.0(一种ERF，由香港科技大学提供)的混合物(两者的混合质量比5∶1-10∶1)，用甩胶机将混合物涂在第一层PDMS薄膜上，厚约60um，固化，如图8(e)；(15)PDMS与BTR-u1.0混合形成的聚合物进行表面处理后，甩涂光刻胶1813，曝光显影，将掩膜版23(如图7(a))相对应的负版的图形转移到光刻胶上；(16)溅射Ti/Au，Au层厚度约2000，用丙酮剥离光刻胶，留下Au电极，电镀Au增加电极厚度，然后用银浆导电胶将压焊点与细导线粘住，引线，如图8(f)；(17)在已经形成微电极的EAP上涂第二层PDMS薄膜，厚约30um，PDMS固化，如图8(g)；(18)剥离已制的EAP挤压器，打孔，孔的位置与掩膜版上微进样池位置相对应，如图8(h)。
下一步，点样装置的支撑结构的制作(19)普通玻片打孔，孔的位置与掩膜版的微进样池相对应，孔直径1mm；(20)打完孔后，用丙酮和IPA(异丙三醇)处理玻璃表面，以利于玻璃与PDMS薄膜的封装。
下一步，就是要把上面四步制作好的独立器件封装，步骤如下；(21)微EAP驱动器和玻璃片的两个表面清洗，在玻璃片上涂布一层薄的PDMS膜，将微EAP驱动器放置在玻璃片上，100℃下烘60min，这样玻璃与驱动器上PDMS层键合非常牢固。
(22)SU-8微结构与微EAP驱动器的封装，将两者表面洗净处理后，用O2等离子体处理两者表面，然后立即把两个表面直接粘合挤压在一起，在两者的间隙中滴上一小滴甲醇用来对准，然后将粘合好的PDMS和SU-8放置85℃下烘60min，两者表面会键合得很好。如果键合效果不是很好，再用UV胶作为封装介质弥补，因为要防止UV胶流入第四层表面的微管道和微贮液池，所以必须从装置侧面利用间隙的毛细管力在第三层微驱动器与第四层多层SU-8结构之间涂布UV胶，在功率为23.8mWcm-2的紫外光下曝光50min。
(23)用AB胶封装整个装置，将下面三层的边缘全都用AB胶涂布。再下一步，将主体结构连接到高压电源(24)双面覆铜的PCB板挖空，面积为19.6mm×19.6mm，正好将已制得的点样装置主体结构放置其中；(25)将微EAP驱动器的上、下微电极引线与PCB的上、下铜层焊接相连；(26)最后，将高压电源的低压端、高压端分别与PCB板的上、下铜层焊接相连，用绝缘胶带和PDMS封住所有的焊点与连线。
最后，对制成的4×4微喷阵列芯片进行测试与得到的结果SU-8材料制作的微结构表面是疏水的，微管道内壁表面在O2等离子体的作用下从疏水状态变为亲水状态。使用者用取样枪从微进样池滴入生物样品，生物样品在微管道表面张力的作用下会从微进样池自动流经微管道到达微贮液池和微喷孔，并会充满整个微管道、微贮液池和微喷孔。由于微喷孔外侧的表面是疏水性的，液体在微喷孔表面张力作用下会平衡在喷孔嘴处，此时液体的重力与表面张力平衡。微EAP驱动器在一定电场(约15KV/cm)下发生形变挤压微喷孔正上方的弹性薄膜，对微贮液池产生一定压力，使微喷孔中的处于平衡状态的液体挤出一部分；被挤出的一部分液体与生化反应检测芯片亲水表面接触，由于微喷孔外侧疏水，生物样品就会自动脱离微喷孔，这样就会在生化反应检测芯片上形成所需要的生物样品斑点，完成了点样的整个过程。
实施例二10×10微喷阵列点样装置(40mm×40mm×1mm)的制作本实施例制作的点样装置设计时重点考虑以下几个参数主体结构微结构(微进样池、微管道、微贮液池及微喷孔)的图形与整体结构放置，结构的最小线宽，PCB板图形，高压电源提供的高电压等。将设计好的图形分别制作成掩膜版15和16(如图4(a)和(b))，以进一步光刻转移到芯片上。制作过程同实施例一的步骤(1)——(26)。
实施例三基于硅树脂和聚丙烯类树脂的微EAP驱动器制作因为硅树脂和聚丙烯类树脂成固态结构，在它们的表面进行微加工工艺非常困难。我们利用了一种新方法来制作微电极先把图7中(a)和(b)的图形转移到普通透明胶带上，去除图形中的胶带部分露出硅树脂(HS3silicone，由Dow Corning公司提供)和聚丙烯类树脂(VHB 4910 acrylic胶带，由3M公司提供)表面，将石墨导电胶(Conductive Carbon Grease，846-80G，由MG Chemical公司提供)涂布在它们的表面，然后小心揭掉普通透明胶带，这样在固态的硅树脂和聚丙烯类树脂的表面就形成了我们想要得到的石墨导电胶电极。接着在80℃固化石墨微电极120min，按照实施例一中步骤(13)和步骤(16)的方法进行引线，接着在两个形成微电极的表面用PDMS封住微电极形成完整的微EAP驱动器，最后与制成的其他微结构按照实施例一中步骤(21)——(26)的方法组装形成点样装置。
权利要求
1.一种生物微喷阵列点样装置，是由点样装置的主体结构的引线与高压电源连接形成整个点样装置，其特征在于(A)点阵装置的主体结构依次由四层组成，最上面一层是用于封装的聚二甲基硅氧烷薄膜，第二层是用于固定和支撑的硬性物质，第三层是微型EAP驱动器，第四层是含微进样池、微管道、微贮液池和微喷嘴阵列的微结构层；第三层和第四层是用紫外胶封装，第二层、第三层和第四层用AB胶封装；(B)将上述(A)的点阵装置的主体结构放入双面覆铜的印刷板电路板中，EAP驱动器的上、下微电极引线与印刷电路板的上、下铜层焊接相连；高压电源的低压端、高压端分别与印刷电路板中的上、下铜层焊接相连，用绝缘胶带和聚二甲基硅氧烷固化后封住所有的焊点和连线。
2.按权利要求1所述的生物微喷阵列点样装置，其特征在于所述用于固定和支撑的硬性物质为玻璃或石英中一种。
3.按权利要求1所述的生物微喷阵列点样装置，其特征在于第三层微型EAP驱动器电致伸缩聚合物为聚二甲基硅氧烷和电流变液体混合形成的聚合物、硅树脂或聚丙烯类树脂中的一种，电极之间的EAP聚合物厚度为60μm；所用的电极为金或石墨粉，厚度为1μm。
4.按权利要求1所述的生物微喷阵列点样装置，其特征在于第四层微结构层选择硅片作为负性光刻胶层SU-8的结构衬底的；微进样孔直径1mm，微管道的线宽为50μm，微喷嘴直径与微贮液池直径比为5。
5.按权利要求1所述的生物微喷阵列点样装置，其特征在于所述的第一层聚二甲基硅氧烷的厚度为20-100μm。
6.制作权利要求1所述的生物微喷阵列点样装置的方法，其特征在于先利用微机电加工系统技术在负性光刻胶SU-8上制作含有微进样孔、微管道、微贮液池和微喷嘴的微结构；然后按照溅射后再腐蚀和溅射后再剥离工艺流程在PDMS与ERF混合形成的一种EAP聚合物两侧制作微电极，形成微型EAP驱动器，并在制作驱动器过程中用银浆导电胶引线；接着，再用玻璃制作微型EAP驱动器的支撑部件；制作PDMS膜用于封装；再将以上制作成的各个独立部件封装成一个点样装置的主体结构；最后将主体结构上的电极引线与高压电源相连，就形成了整个点样装置；具体步骤是a.SU-8微结构层的制作——主体结构第4层①基底处理4英寸硅片作为SU-8结构的基片，用一般半导体工艺中清洗工艺清洗后前烘；②硅片表面甩涂一层剥离层；③第一层SU-8胶甩涂，前烘，固化，在光刻机中将掩膜版与基片对准，紫外线曝光，将掩膜版上的微喷嘴图形转移到SU-8光刻胶上，然后后烘，曝光后的SU-8进一步固化；④第二层SU-8胶甩涂，前烘，固化，在光刻机中将掩膜版与基片对准，紫外线曝光，将掩膜版上的微结构图形转移到SU-8光刻胶上，然后后烘，曝光后的SU-8进一步固化，形成待显影层；⑤超声环境中显影，可以得到所需要的双层SU-8结构；⑥多层SU-8结构的表面先用异丙三醇清洗，最后用O2等离子体表面处理；b.微电致形变驱动器层制作——主体结构第三层①用一般半导体工艺清洗清洁硅片；②硅片上甩涂一层薄的剥离层；③甩涂第一层PDMS薄膜，厚约30um；④PDMS膜进行表面处理后，溅射Au；⑤光刻胶保护腐蚀出下电极图形；⑥电镀Au，增加电极厚度至1um，减小电阻并引线；⑦甩涂第二层PDMS与ERF混合形成的聚合物薄膜，厚约60um，这一层将作为EAP层；⑧PDMS与ERF混合形成的聚合物表面处理后，甩涂光刻胶，光刻出电极图形；⑨溅射Au电极，利用剥离工艺制作出上电极；⑩电镀Au，增加电极厚度至1um，减小电阻并引线；甩涂第三层PDMS薄膜；剥离已制的聚合物挤压器，打孔，孔的位置与掩膜版上的微进样池位置相对应。c.支撑物制作——主体结构第二层在玻璃支撑物上打孔，孔的位置与掩膜板上微进池位置相对应，孔径1mm，打孔后用丙酮或异丙三醇清洗；d.聚二甲基硅氧烷薄膜的制作——主体结构第一层调节甩胶机的转速制成厚度20-100μm间的薄膜，在100℃下烘60min，用O2等离子体表面处理e.点样装置主体结构的封装①第一层封装进样孔的聚二甲基硅氧烷膜经过O2等离子表面处理后，与第二层玻璃固体表面接触；②第二层的玻璃与第三层驱动器的封装是在玻璃表面处理后再涂布一层薄的聚二甲基硅氧烷膜后，将第三层的EAP驱动器放置在玻璃片上，100℃下烘60min，使玻璃与驱动器上PDMS膜层键合；③密封第三层和第四层，先洗净PDMS和SU-8表面，烘干，用O2等离子体处理两者表面，然后立即将两个表面挤压在一起，在两者的间隙中滴上一小滴甲醇用来对准，然后将粘合好的PDMS和SU-8放置85℃下烘60min，使两者表面会键合，或从侧面利用间隙的毛细管力在第三层微驱动器与第四层多层SU-8结构之间涂布UV胶，条件是在功率为23.8mWcm-2的紫外光下曝光60min；④在完成装置的第二层与第三层封装以及第三层与第四层封装之后，用能耐2500psi压力的AB胶封装整个装置，将下面三层的边缘全都用AB胶涂布；⑤用银浆导电胶将第三层驱动器层的微电极用引线引出；f.连线及与高压电源连接点样装置的主体结构引线后，将微电极的上电极、下电极的引线用与双面覆铜印刷电路板上已腐蚀形成的压焊点焊接好，再把印刷电路板的上、下两个电极分别与高压电源低压端、高压端焊接相连，每个焊点都绝缘保护，最后用PDMS整个封装覆盖压焊点。
7.按权利要求6所述的生物微喷阵列点样装置的制作方法，其特征在于在主体结构第三层中甩涂第一层聚二甲基硅氧烷厚度为30um，经表面处理后溅射金厚度为2000，甩涂第三层聚二甲基硅氧烷薄膜厚度为30um。
全文摘要
本发明涉及一种生物微喷阵列点样装置及制作方法，其特征在于点阵装置的主体结构依次由四层组成，最上面一层是用于封装的聚二甲基硅氧烷薄膜，第二层是用于固定和支撑的硬性物质，第三层是微型EAP驱动器，第四层是含微进样池、微管道、微贮液池和微喷嘴阵列的微结构层；第三层和第四层是用紫外胶封装，第二层、第三层和第四层用AB胶封装。其制作方法是利用MEMS技术和封装技术，它不同与微印章法。利用电致伸缩聚合物代替压电聚合物，本发明具有制作的点样装置体积小，制作简单，工艺流程短而装置设计灵活、多变等特点。
文档编号C12Q1/68GK1629319SQ20041005408
公开日2005年6月22日 申请日期2004年8月27日 优先权日2004年8月27日
发明者赵建龙, 许宝建, 金庆辉, 李贻昆, 何志明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所